地球科學原理之一：太陽系的構成和起源

地球科學原理之一：太陽系的構成和起源

作者：廖永岩 編輯：探礦者

地球科學原理，顧名思義，是有關地球起源、演化、構造運動、能量流等方面的基本原理。地球科學原理重點解決地球演化動力學，即認識地球為什麼區別於其它行星，從古到今，能演化到現在的主要動力，及地球將來的演化趨勢，為人類認識地球、了解地球、及將來控制地球服務。

地球是太陽系的一顆行星，為了很好地了解地球，我們先來認識太陽系的構成和起源。

1 太陽系的構成

太陽系擁有1顆恆星、8顆行星、大量衛星和一些小行星、慧星、隕星及星際物質等。太陽系位於銀河系的旋臂上，以大約兩億年的周期繞銀河系的中心旋轉。太陽系的最外以冥王星的軌道為邊界，直徑為1.18×10¹⁰km，合79個天文單位（一個天文單位為日地距離，約1.5×10⁸km）(吳泰然和何國琦，2003)。

太陽系的中心是太陽，一顆熾熱的恆星。太陽的內部溫度達到10×10⁶K~15×10⁶K，其能源來自內部的熱核反應。組成太陽的物質主要是氫（約70%）和氦（27%），其他元素只佔2.5%左右。太陽的最外部是由日冕組成的太陽大氣，從日冕中升起的粒子流構成了太陽風向宇宙空間輻射，並帶走了太陽熱核反應的大部分能量。太陽質量大約是太陽系全部質量的99.866%，行星的質量在太陽系中可以說是微不足道的。不可思議的是，太陽的轉動慣量和它所具有的質量卻很不相稱，只佔太陽系總轉動慣量的2%(吳泰然和何國琦，2003)。

太陽系的行星可以分為兩大類：類地行星和類木行星。靠近太陽的4顆行星（水星、金星、地球和火星）與地球大小、物質組成和內部結構等方面都很相似，故稱為類地行星，又稱內行星；太陽系靠外的除了冥王星以外的四顆行星（木星、土星、天王星和海王星），由於與木星的性質相近，稱為類木行星，又稱為外行星。

2 太陽系起源的假說

太陽系的起源問題存在著很多未知數，從18世紀起，先後出現的各種太陽系起源的假說至少有幾十種，隨著近30年來科學技術的飛速發展，關於太陽系起源的問題才得到一些共識。

2.1 災變假說

法國科學家布豐（G. Buffon）於18世紀中期提出一個假說，認為行星的形成是由於太陽遭到了另一個大天體強烈的撞擊，他認為這個天體可能是慧星。這是第一個關於太陽系形成的災變假說，其後這類假說還多次提出過，直到本世紀初還有人提出，但每次都以不成功而告終。不成功是由兩個方法學的缺乏所造成的：把太陽的起源和行星的起源割裂開了，而所有的特徵（化學組成，更主要的是同位素組成、年齡、行星只佔整個太陽系質量的0.02%等事實）都表明它們有共同的起源；給行星的形成以偶然性，而不認為是一個有規律的過程。

2.2 康德-拉普拉斯假說

德國學者康德（I. Kant）於1775年提出的假說更具有科學意義。康德堅決與以往的宗教說法決裂，他勇取地聲明：「請給我物質，我給你們看宇宙是如何從物質組成的」。康德假說的前提是，充滿宇宙的物質最初以元素質點的形式均勻分布於空間之中，然後，在萬有引力的作用下開始形成物質凝聚的中心，中心之一就是太陽；同時物質開始了旋轉運動。繼而，環繞太陽運動的塵埃雲組成了行星。完善並給康德假說以數學基礎的功績屬於法國的數學家拉普拉斯（P. S. Laplace, 1796）。因此，這個假說在後來被稱為康德-拉普拉斯假說。按拉普拉斯的說法，最初存在著處於萬有引力作用下旋轉著的和收縮著的氣狀星雲（在此以前不久，赫歇耳（W. Herschel）發現了這種星雲），星雲中有一個凝聚中心，後來演化成太陽。隨著旋轉和收縮的加強，星雲團成了扁的形狀，並分出了環，環進一步形成凝聚中心-未來行星的胚胎。衛星以類似的方式在行星周圍形成。最初，行星和衛星都應該是熾熱的氣球，只是由於後來的冷卻，才有了殼和成了固體。因此拉普拉斯的宇宙假說（注意不是康德）屬於「熱」宇宙假說。

2.3 摩耳頓-張伯倫假說

太陽系的一個特徵參數是其轉動慣量的分配，慣量由產生它的物體距太陽的遠近和該物體自轉的速率決定。從太陽和行星具有共同起源出發，占整個太陽系全部質量90%以上的太陽也應有最大的轉動慣量。但實際上由於太陽自轉很慢，它只佔有總轉動慣量的2%，而行星，特別是那些巨行星，首先是木星卻佔有總轉動慣量的98%。經典形式的康德-拉普拉斯假說不能解釋這個矛盾現象。在20世紀初人們開始尋找代替的假說，英國天文學家瓊斯（J. H. Jeans）的假說就是其中之一。他回到了布豐的觀點，但認為組成行星的太陽物質不是慧星撞擊，而是另一個行經太陽附近的星球從太陽中吸引出的結果。美國天文學家摩耳頓（F. Multon）和地質學家張伯倫（T. Chemberlen）共同提出了一個類似的假說，按這個假說，從太陽分出氣體是由行經太陽附近的一顆星的強大引力作用造成的，然後在凝聚中形成微星，進一步形成小行星、行星。星子的概念在科學中站穩了腳跟，然而假說本身後來被摒棄了。

2.4 太陽俘獲氣-塵埃-流星雲的假說

前蘇聯學者施密特（О. Ю. Шмидт）為了走出運動慣量分布問題的死胡同，提出了有特色的太陽俘獲氣-塵埃-流星雲的假說，這種雲在後來凝聚成了行星。施氏的學生們繼續發展了施密特假說中重要的肯定成分，他們提出了原始行星雲凝聚過程的模型，原始行星的進一步凝聚就成了後來的行星及其衛星。他們認為星雲物質初始是冷的，所以施密特的宇宙假說與康德假說一樣屬於「冷」的，而不像拉普拉斯的學說那樣屬於「熱」的宇宙假說。

2.5 現代得到最多支持的假說

在過去對太陽系起源的認識中，有三個問題困擾著科學家：其一是動量和質量的分布，為什麼太陽具有太陽系全部質量的99.866%，其動量卻不到2%？康德-拉普拉斯的假說正是由於不能合理解釋這個問題而困擾；其二是重元素的來源，由於太陽系比許多其他恆星包含有更多的重元素，可以推知太陽是第二代行星，即形成太陽的氣體雲中包含著其他恆星經過核燃燒散發到空間中的餘燼。其三是太陽系的行星既有許多共同的特徵，又有各自的特點，使得太陽系起源假說的建立更加困難。近30年來，隨著天文學的巨大進步，許多太陽系起源的問題已基本清楚。人們驚訝地發現，現代太陽系起源假說似乎又回到了康德最初的思想上。天文學家成功地觀察到星際之間的等離子體的成星過程，恆星的誕生主要是由於磁場和氣塵雲及射線壓力的反作用。這個過程發生在河外星系的懸臂的外邊界，銀河系也是如此。超新星的爆發可能是附近星雲開始收縮的推動力，太陽系的重元素和短周期的放射性同位素可能是超新星爆發過程中強烈的核反應所形成的。現代太陽系起源假說基本包括以下四個階段：

第一階段，原始太陽氣塵雲與鄰近的一顆即將成超新星的星。

第二階段，超新星爆發，原始太陽氣塵雲在超新星影響的範圍之內，並從超新星的爆發中獲得能量和重元素、放射性同位素等物質。

第三階段，在超新星能量的推動下，太陽氣塵雲開始旋轉並逐步形成中心的太陽。當太陽達到一定大的時候，內部開始發生熱核反應。年輕的恆星，尤其是重量大的恆星開始向外拋射物質，在太陽系的外圍形成環繞太陽的環。

第四階段，太陽系的中間部分形成太陽，環繞太陽的環逐漸凝聚成星子，並以星子為中心逐漸形成行星。行星的衛星也有著相似的過程。

太陽系形成初期，太陽周圍的原始行星雲和太陽都快速旋轉著，但漸漸地被磁流體動力所減緩，使太陽系中的慣量重新分配。在太陽系星雲的演化中，太陽可能以電磁力或湍流對流的形式向行星轉移慣量(吳泰然和何國琦，2003)。

太陽系有如此的構成和起源，那太陽系的地球又是怎麼形成的？地球具有怎樣的圈層結構？這些圈層結構又是如何形成的？請聽下回分解。

未完，待續。

參考文獻：

吳泰然，何國琦. 普通地質學. 北京: 北京大學出版社. 2003. 9-63

（註：本「地球科學原理」系列，是根據廖永岩著，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科學原理》一書改編而來，轉載者請署明出處，請不要用於商業用途）

點擊進入更加精彩

推薦閱讀：